【《MIMO无线通信信道模型分析概述》3700字】

MIMO无线通信信道模型分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u15682MIMO无线通信信道模型分析概述 1152561.1无线衰落特征 125011.2自由空间传播模型 4203221.3点对点MIMO模型 51.1无线衰落特征在信号传播过程中，无线通讯的信号实际可以遇到三种不同的物理现象：逆向反射、绕向及散射，逆向反射则是指一个信号波在传播中由于碰到一个大小远超于它本身波长的某个物体或表面而产生的。一般来说，信号的能量被反馈回到发射器，而不是沿着原有路径返回到接收器。当绕射事件发生时，主要是当一个发射器和接收器之间的一个路径受到不规则物体的表面或某些缺口所阻拦时才会发生的，表现出来的现象就如信号波在这些障碍物周围发生了形变之后穿过障碍物得以继续扩散。尽管可能有的传播的路径看不见，但是信号波通过衍射产生的二次波也可以搭建起一条从发射器到接收器的路径。然而信号的散射的出现主要是因为当存在一个尺寸上远小于波长的障碍物和电磁波相互接触，导致电磁波的传递方向出现了偏差。一般来说，能够触发和引起信号散射出去的障碍物，如路灯、楼房、树木等，这些物体又被称作散射体。另一种说法是，无线电信号的传播是很复杂且难以预测的，由于不同情况下存在反射、绕射和散射等多种情况，以及距离不同也会导致信号强度的不定性，进而无线电传播是受环境决定的很复杂的过程。无线移动的信道中有一个十分典型的现象便是“衰落”现象，即随着时间和频率的变化，信号的幅度也可能会随之发生上下波动。其中，加性噪声问题是最常见的，也是造成传递信号恶化的罪魁祸首。而衰落是另一个重要原因，它与加性噪声十分不同，衰落往往会在无线移动的信道中直接触发非加性的信号干扰。并且衰落可能是因为多重路径的传播(通常被称为多径衰落)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>冯瑞瑞</Author><Year>2018</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[6]</style></DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619486270">14</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>冯瑞瑞</author></authors><tertiary-authors><author>曹海燕,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>大规模MIMO系统中基于能效优化的资源分配方案研究</title></titles><keywords><keyword>大规模MIMO</keyword><keyword>EE资源分配</keyword><keyword>动态更新</keyword><keyword>D.C规划</keyword><keyword>交替优化</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><publisher>杭州电子科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[27]，或者因为障碍物的阻挡(通常被称为阴影衰落)，表1.1和图1.1是衰落的具体分类及介绍。表1.1衰落类型介绍衰落类型大尺度衰落小尺度衰落产生原因基站与用户间的传输距离引起的路径损耗传输环境中存在散射体基站侧与用户端相对移动影响远近效应、阴影效应多普勒效应、多径效应信道模型Okumura-Hate、rood模型，IEEE801.16d模型瑞利信道模型，莱斯信道模型图1.1衰落的具体分类一般根据接收信号场强变化的区间大小，无线电波可以分为大尺度衰落和小尺度衰落。这里的区间大小的意思就是我们所观察的移动台移动的距离和信号本身波长的关系，也就是要看这个区间总共包含了多少个波长。大尺度衰落适用于发射机与接收机之间的距离（几百或几千米）甚至更远的一段时间范围内的信号场强弱变化。小尺度衰落主要描述了一种在小尺度地带（几个或几十个波长）

内或短暂时间内（秒级）信号场强度的快速改变ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>刘宇</Author><Year>2008</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619490062">17</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>刘宇</author></authors><tertiary-authors><author>阙大顺,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于MCMC方法的MIMO检测算法研究与实现</title></titles><keywords><keyword>MIMO系统</keyword><keyword>检测算法</keyword><keyword>球形译码</keyword><keyword>马尔科夫链-蒙特卡罗方法</keyword><keyword>Gibbs采样</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><publisher>武汉理工大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[28]。也就是说，如果移动台进行很小的位移时，所接收信号会在短期内出现快速变化，这个很短的一段距离必须是和该信号的波长是一个量级的。大尺度衰落主要包含路径损耗和阴影衰落两种。基站和移动台之间的传播环境路径损耗常常存在路径损耗。它同样具有幂定律的传递特征，即信号的电平和距离长度所增加的某些幂之间呈相反比例的变化，与信号的收发天线方向性等参数基本没有联系，仅与信号的传输路径相关，路径越长，路径损耗就越多ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>文骁</Author><Year>2012</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[8]</style></DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619489967">15</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>文骁</author></authors><tertiary-authors><author>徐少毅,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>OFDM系统中无线资源管理的研究</title></titles><keywords><keyword>OFDM</keyword><keyword>资源分配</keyword><keyword>高速移动</keyword><keyword>WINNERⅡ信道</keyword><keyword>信道容量</keyword></keywords><dates><year>2012</year></dates><publisher>北京交通大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[29]。平均路径损耗是指在一定的距离内路径损耗的平均值，通常可以使用对数距离的路径损耗模型表示。阴影衰落指无线电波在其传播途径受到大型障碍物的遮蔽和阻挡，在这些障碍物后面的空间会有衰落的阴影。阴影区的接收信号场强较弱。如果移动台高速穿过阴影区，很可能造成接收一端信号场强中值的改变，通常把这样的现象称为阴影效应ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>高林毅</Author><Year>2012</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9]</style></DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619490252">19</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>高林毅</author></authors><tertiary-authors><author>钟章队,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>室内宽带无线信道测量与建模技术研究</title></titles><keywords><keyword>宽带信道测量</keyword><keyword>信道建模</keyword><keyword>时延扩展</keyword><keyword>室内</keyword><keyword>走廊</keyword></keywords><dates><year>2012</year></dates><publisher>北京交通大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[30]。已证明，阴影衰落的统计学规律接近于服从对数状态下的正态分布。由于阴影衰落都是被密集地叠加到了路径损耗之上，且阴影衰落都是服从于对数的正态分布，因此，对于距离发射机特定距离的一点或多处的路径损耗来说，也是一个密集地服从于正态分布的随机变量ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>李宗政</Author><Year>2012</Year><RecNum>20</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[10]</style></DisplayText><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619490351">20</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>李宗政</author></authors><tertiary-authors><author>陈如山,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于频域SBR无线信道的分析</title></titles><keywords><keyword>无线信道</keyword><keyword>弹跳射线法</keyword><keyword>频域建模</keyword><keyword>相干带宽</keyword><keyword>频率选择性</keyword></keywords><dates><year>2012</year></dates><publisher>南京邮电大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[31]。小尺度衰落通常是由多径传递（多径效应）和多普勒效应造成。信号在传播过程中会可能会发生反射等现象ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>邹士娇</Author><Year>2018</Year><RecNum>21</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>21</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619490461">21</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>邹士娇</author></authors><tertiary-authors><author>周杰,</author><author>王铁,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>室内短距离无线信道测试及其传播特性的研究</title></titles><keywords><keyword>无线通信技术</keyword><keyword>路径损耗</keyword><keyword>多径信道</keyword><keyword>MassiveMIMO</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><publisher>南京信息工程大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[32]，发射信号向不同方向进行传播，具有不同的电波传播时间上的延迟，这就直接造成了实际到达接收信号移动平台的电波信号主要成分是由许多不同途径的发射电波所组合而成。这些带有随机分布状态的不同幅度、相位方向和入射电波的角度的多径的主要成分被整个接收器中的天线按随机的向量组成一个输出幅度和输出相位都可以发生急剧变化的输出信号，使得整个接收器的输出信号出现快速衰落以及失真的现象。其次当基站与移动台发生相对运动时会可能会产生多普勒频移，所以会有随机频率调制的可能发生ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>杨林</Author><Year>2015</Year><RecNum>22</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619490550">22</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>杨林</author></authors><tertiary-authors><author>任获荣,</author><author>方历平,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>无线MIMO系统信号检测算法研究</title></titles><keywords><keyword>MIMO</keyword><keyword>K-Best算法</keyword><keyword>最优快速QR分解</keyword><keyword>误码率(BER)</keyword><keyword>复杂度</keyword></keywords><dates><year>2015</year></dates><publisher>西安电子科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[33]。如果传输环境中有一随时间其速度快速变化的物体，那么就很有可能引起多普勒频移。如果传输环境中物体以超过移动台很多的速度进行运动，那么该物体的运动会对小尺度衰落起到决定性的作用。如果物体移动速度不够快，那么可以只考虑移动台速度，而忽略环境中物体速度的影响。另外，在静态或准静态的多径信道模型中，根据其主径分量可以分为莱斯（Rice）信道和瑞利（Rayleigh）信道。信号在每条路径上的信号幅度和延迟都是随机的ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>黄灿</Author><Year>2018</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619490620">23</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>黄灿</author></authors><tertiary-authors><author>李素月,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>大规模MIMO-OFDM稀疏多径信道估计技术研究</title></titles><keywords><keyword>大规模MIMO-OFDM</keyword><keyword>压缩感知</keyword><keyword>稀疏信道估计</keyword><keyword>空时共同稀疏性</keyword><keyword>联合差分</keyword><keyword>稀疏度自适应</keyword></keywords><dates><year>2018</year></dates><publisher>太原科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[34]，如果一台接收机所接收的通过信道的信号在包络方面服从瑞利分布，而在相位方面是服从的均匀分布ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>闫琛昕</Author><Year>2019</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14]</style></DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619490706">24</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>闫琛昕</author></authors><tertiary-authors><author>孙娟娟,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>MIMO携能传输信道中多用户的SINR公平性优化算法研究</title></titles><keywords><keyword>MIMO</keyword><keyword>无线携能通信</keyword><keyword>公平性优化</keyword><keyword>凸优化</keyword></keywords><dates><year>2019</year></dates><publisher>北京邮电大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[35]，那么就会把拥有这种特性的信道称为瑞利衰落信道，可表示为： （1.1）其中，用来表示的概率密度函数，而相对于接收信号来说则表示它的功率谱密度，另外是用来表示信号幅值的方差，相对于接收信号来说则表示它的平均功率。当信号受到多径效应和阴影效应的影响时，此时的瑞利信道的冲击响应可表式为： （1.2）式中，用来表示传送路径的数量，用来表示第条传输路径中的信号幅度，和分别用来表示第条传输路径相对于第一条传输路径的延迟和相位。如果从基站发送到用户的接收端所传输的路径中真实存在直射信号，事实上，此时信道就不再满足瑞利分布了，而是变为服从莱斯分布，因此这时的信道就应该被称为莱斯衰落信道ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>任秋洁</Author><Year>2014</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[15]</style></DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619493085">27</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>任秋洁</author></authors><tertiary-authors><author>任光亮,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>低信噪比下的信道测量及参数提取算法研究</title></titles><keywords><keyword>无线信道</keyword><keyword>信道测量</keyword><keyword>低信噪比</keyword><keyword>参数提取</keyword></keywords><dates><year>2014</year></dates><publisher>西安电子科技大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[36]，接收端所接收包含直射信号的信号的包络也满足莱斯分布特征，可表示为： （1.3）其中，用来表示最大幅度的参数，为0阶第一类贝塞尔函数，令因子为莱斯因子，当，转化为，即无主径，莱斯分布变为瑞利分布，当时，莱斯分布接近于高斯分布。1.2自由空间传播模型自由空间传播模型的主要用途是通过大量理想状态判断信道的环境，即在一个发射机和接收器中间不会存在任何障碍物的情况下接收信号的状态。在卫星通讯系统中往往会采用该模型。代表发射机与接收器之间的距离大小(计量单位：m)，当所使用的发射天线的特征和性质都是各向差异性时，定义一根发射天线的增益为，一根接收天线的增益为，则一台距发射机的接收机接收的信号功率为，由Friis公式直观地可以表现出来为： （1.4）公式1.4中，是一台发射机的发射信号功率(数量单位：W)，为发射信号的波长(数量单位：m)，将定义为系统损耗系数，该参数与周围环境的相关系数为0，由系统本身来决定。系统损耗系数包含的损耗室友实际的硬件导致，主要有传输线、滤波器和天线等。多径效应会导致用户端在接收信号时所持续的时间比基站发送信号所持续的时间要更长。其中的原因是多径传播中的每条传播路径的长度并不一样，这样的话信号通过每条传输路径到达用户端话费的时间就不一样，会使用户接收到的信号发生时域的扩展，即时延扩展。这种扩展转化在频域上表示则是频率选择性衰落。多径现象引起的时延扩展,会直接导致数据码间的串扰,降低了信息传输的最大速率ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>黄禹胜</Author><Year>2016</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[16]</style></DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619490764">25</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>黄禹胜</author></authors><tertiary-authors><author>张丕状,</author><author>熊良波,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>MIMO-OFDM技术在近海域无线通信中的应用研究</title></titles><keywords><keyword>MIMO</keyword><keyword>OFDM</keyword><keyword>STBC编码</keyword><keyword>近海无线通信</keyword></keywords><dates><year>2016</year></dates><publisher>中北大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[37]。时延扩展的倒数称为相干带宽。对于整个通讯信道系统来说，都是非常重要的参数，当一个信号所传输的带宽<时，信道就会表现出非频率的选择性衰落ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>冯宝</Author><Year>2009</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[17]</style></DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619493332">28</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>冯宝</author></authors><tertiary-authors><author>张小飞,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>阵列天线OFDM系统的信号检测与参数估计</title></titles><keywords><keyword>OFDM</keyword><keyword>智能天线</keyword><keyword>信号检测</keyword><keyword>参数估计</keyword><keyword>载波频率偏移估计</keyword><keyword>DOA估计</keyword></keywords><dates><year>2009</year></dates><publisher>南京航空航天大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[38]，另一种称呼就是平坦式衰落，信号的包络虽然呈现出信号是存在波动和起伏，但并没有发生任何码间的串扰；当>时，信道会明显地表现出频率的选择性衰落，此时信号中不同频率的部分和分量在经历了多径信道后就会出现不同程度的失真情况，此时信号在包络方面不仅有起伏而且同时有变化，而且码间串扰成为主要的干扰因素。当基站侧和用户端的位置发生相对移动时会使信号的相位和频率发生变化，即产生多普勒频移。多普勒频移使得信道在空间上具有了选择性衰落的特征。若最大多普勒频移用来表示，那么多普勒频谱的相干带宽,相干时间。1.3点对点MIMO模型MIMO系统中最简单的就是点对点式，此时发射机和接收机分别配置有和根天线。假设信道带宽随时间不发生变化，且信道矩阵是在我们所掌握的信息。将有着频率选择性的信号转化为平坦衰落信号。可将接收到的信号表示为向量,可表达为： （1.5）式中是发射信号，是噪声干扰。对发射信号的总功率进行了归一化，即，并且噪声满足三个条件即：均值为零、协方差矩阵是单位阵、协方差矩阵是循环对称的复高斯分布ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>田强</Author><Year>2018</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wwpfwz9wts25tae9txkpwpfzpffzzefzzwwd"timestamp="1619493537">29</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>田强</author><author>冯大政</author><author>杨凡</author><author>胡豪爽</author></authors></contributors><auth-address>西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室;</auth-address><titles><title>基于线性校正的TOA联合同步与定位算法</title><secondary-title>系统工程与电子技术</secondary-title></titles><periodical><full-title>系统工程与电子技术</full-title></periodical>